(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池システムに関し、燃料電池から排出されるオフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙を簡単な構成によって低減できるようにする。【解決手段】  放出口３２の開口面積を変化させる開口面積可変手段３４，４０，４２を備える。この開口面積可変手段３４，４０，４２は、オフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙の濃度に関連する白煙濃度関連値の変化に連動しており、白煙濃度が上昇する方向に白煙濃度関連値が変化するときには放出口３２の開口面積を小さくしてオフガスの流速を上昇させる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスを大気中へ放出するための放出口とを有する燃料電池システムにおいて、
オフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙の濃度に関連する白煙濃度関連値の変化に連動して前記放出口の開口面積を変化させる開口面積可変手段を備え、
白煙濃度が上昇する方向に前記白煙濃度関連値が変化するときには前記開口面積可変手段により前記放出口の開口面積は小さくされることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記白煙濃度関連値はオフガスの流量であり、
前記開口面積可変手段は流量が小さくなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記白煙濃度関連値は外気温度であり、
前記開口面積可変手段は外気温度が低くなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記白煙濃度関連値は前記燃料電池システムが搭載される車両の車速であり、
前記開口面積可変手段は車速が小さくなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記白煙濃度関連値は燃料電池温度であり、
前記開口面積可変手段は燃料電池温度が高くなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、燃料電池から排出されるオフガスを大気中へ放出するときに生じる水蒸気白煙を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが接触しカソードに空気などの酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。その際、カソードでは、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸素が反応して水が生成される。生成された水は水蒸気となり、カソードから排出されるオフガス（カソードオフガス）に含まれて大気中に放出される。
【０００３】
ところで、通常、燃料電池は高温（例えば、比較的運転温度の低い固体高分子型燃料電池でも約８０℃）で運転されているために、カソードオフガスの温度は外気温度よりも高くなっている。このため、カソードオフガスが大気中へ放出された途端、急激な冷却によりカソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮して水蒸気白煙が発生する。特に、外気温度が低い冬季には水蒸気白煙の発生は顕著になる。また、燃料ガスとして炭化水素原料から改質された改質ガスを用いる場合には、改質ガス中に水蒸気が含まれるため、アノードから排出されるアノードオフガスにも水蒸気が含まれている。このため、アノードオフガスが大気中へ放出される際にも水蒸気白煙が発生する場合がある。さらに、カソードで生成された水分が電解質膜を通過することでアノードに移動するため、アノードオフガスが大気中へ放出される際に水蒸気白煙が発生する場合もある。
【０００４】
水蒸気白煙は外観上、また、それを見る者への心象においても好ましくない。特に、近年、燃料電池を搭載した電気自動車（燃料電池自動車）が開発されているが、燃料電池自動車を実用化する上で水蒸気白煙についての対策は十分に検討される必要がある。多量の水蒸気白煙は後続車両のドライバに不快感を与えたり、ドライバの視界を妨げたりする可能性があるからである。
【０００５】
従来、水蒸気白煙の発生を抑制する技術としては、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。この従来技術では、オフガスを大気中に放出する前にブロア等で吸入された空気によって予め冷却することでオフガス中の水蒸気を凝縮させ、凝縮した水蒸気を回収した後に大気中に放出することで水蒸気白煙の発生を抑制するようにしている。
【特許文献１】特開平９−２２３５１０号公報
【特許文献２】実開平６−６００５６号公報
【特許文献３】特開平７−１６９４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の従来技術では、オフガスの冷却のための装置を別途設ける必要があり、装置の大型化や複雑化を招いてしまう。特に燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムの場合には、搭載スペースの制約があるため、装置が大型化することは可能な限り避けたい。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池から排出されるオフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙を簡単な構成によって低減できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスを大気中へ放出するための放出口とを有する燃料電池システムにおいて、
オフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙の濃度に関連する白煙濃度関連値の変化に連動して前記放出口の開口面積を変化させる開口面積可変手段を備え、
白煙濃度が上昇する方向に前記白煙濃度関連値が変化するときには前記開口面積可変手段により前記放出口の開口面積は小さくされることを特徴としている。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記白煙濃度関連値はオフガスの流量であり、
前記開口面積可変手段は流量が小さくなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴としている。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、前記白煙濃度関連値は外気温度であり、
前記開口面積可変手段は外気温度が低くなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴としている。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明において、前記白煙濃度関連値は前記燃料電池システムが搭載される車両の車速であり、
前記開口面積可変手段は車速が小さくなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴としている。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明において、前記白煙濃度関連値は燃料電池温度であり、
前記開口面積可変手段は燃料電池温度が高くなると前記放出口の開口面積を小さくすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
第１乃至第５の発明によれば、白煙濃度が上昇する方向に白煙濃度関連値が変化するときには放出口の開口面積が小さくされるので、オフガスが大気中へ放出されるときの流速が増す。これにより、オフガスの大気中への拡散が促進されて、オフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙は低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。本燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして構成されている。燃料電池自動車は図示しないモータを原動機として搭載しており、モータの駆動用電源として燃料電池スタック２が搭載されている。
【００１５】
燃料電池スタック２は、燃料電池の単セルが複数枚積層されて構成されている。単セルは、図示は省略するが、プロトン伝導性の電解質膜の両側を触媒電極であるアノード及びカソードで挟まれ、さらにその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。各単セルはアノードへの水素の供給とカソードへのエアの供給を受けて発電する。
【００１６】
燃料電池スタック２には、アノードに水素を供給するための水素供給管４が接続されている。水素供給管４の上流側には水素タンクや改質器等の図示しない水素供給装置が接続されている。水素供給管４にはレギュレータ６が配置されており、水素タンク等から供給される水素はレギュレータ６で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック２に供給される。アノードで消費されなかった水素は、カソード側から透過してきたエアとともに、アノードオフガスとして燃料電池スタック２から排気管８に排気される。排気管８は、その下流端を水素供給管４におけるレギュレータ６の下流側に接続されている。排気管８には水素ポンプ１０が配置されており、水素ポンプ１０によって駆動されることでアノードオフガスは燃料電池スタック２から排気管８に引き出され、再び水素供給管４に送り出される。排気管８における水素ポンプ１０の上流側には、必要に応じて開かれる排気弁１２が設けられている。
【００１７】
また、燃料電池スタック２には、カソードにエアを供給するためのエア供給管１４が接続されている。エア供給管１４にはエアポンプ１６が配置されており、エアポンプ１６の作動によって外部からエア供給管１４にエアが取り込まれカソードに供給される。エアポンプ１６により供給されるエアの流量は燃料電池スタック２の発電負荷に応じて制御され、アイドルのような低負荷時には小流量になるように、高負荷時には大流量になるように制御される。カソードでは、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンとエア中の酸素が反応して水が生成される。生成された水は水蒸気となり、カソードから排出されるカソードオフガスに含まれて燃料電池スタック２から排気管３０に排気される。排気管３０とエア供給管１４との間には、水分をカソードに供給するエアに戻すための加湿器１８が設けられている。カソードガスに含まれる水蒸気の一部は加湿器１８によって取り除かれるが、大部分の水蒸気はカソードオフガスとともに排気管３０に配置されたマフラ２０を通って大気中に放出される。
【００１８】
本実施形態にかかる燃料電池システムは、カソードオフガスを大気中に放出するための排気管３０の構成に特徴がある。図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態にかかる燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。排気管３０の末端にはカソードオフガスを大気中へ放出するための放出口３２が形成され、放出口３２には蓋３４が取り付けられている。蓋３４は放出口３２の全体を塞ぐことができる大きさであり、放出口３２の上端部にバネ付きの蝶番３６によって回転可能に取り付けられている。蝶番３６のバネは放出口３２を塞ぐ方向に蓋３４を付勢しており、蓋３４がバネの付勢力に抗して回転することで、放出口３２が開くようになっている。
【００１９】
上記のように放出口３２に蓋３４が取り付けられることで、放出口３２の開口面積はカソードオフガスの流量によって変化することになる。カソードオフガスの流量が小さいときには、蓋３４がカソードガスから受ける力は小さい。蓋３４はカソードオフガスから受ける力とバネから受ける力とが釣り合う位置まで回転するので、カソードオフガスの流量が小さいときには蓋３４の回転量も小さく、図２Ａに示すように放出口３２の開口面積も小さくなる。逆にカソードオフガスの流量が大きいときには、蓋３４がカソードガスから受ける力は大きいために蓋３４の回転量も大きく、図２Ｂに示すように放出口３２の開口面積は大きくなる。なお、ここでいう放出口３２の開口面積とは、放出口３２の前方にあるカソードガスの流れ方向に垂直な仮想面への放出口３２の投影面積のことを意味している。
【００２０】
放出口３２から大気中へ放出されるときのカソードオフガスの流速は、カソードオフガスの流量と放出口３２の開口面積によって決まる。つまり、同一の開口面積であれば流量が大きいほど流速は大きくなり、同一の流量であれば開口面積が小さいほど流速は大きくなる。従来の燃料電池システムでは、図３に示すように排気管１００の放出口１０２には開口面積を変化させる手段は何ら設けられておらず、カソードオフガスの流量にかかわらず放出口１０２の開口面積は一定になっていた。このため、アイドルのように燃料電池スタック２の負荷が小さいときには、カソードオフガスの流量は小さく、放出口１０２から大気中に放出されるカソードオフガスの流速も小さかった。これに対し、本実施形態にかかる燃料電池システムでは、蓋３２の作用によってカソードオフガスの流量が小さいときには放出口３２の開口面積は小さくなる。このため、放出口３２から放出されるカソードオフガスの流速は蓋３４がない場合に比較して上昇することになる。
【００２１】
放出口３２から放出されるカソードオフガスの流速は、冬季等においてカソードオフガスに生じる水蒸気白煙に影響する。流速が小さいときには水蒸気が滞留することで白煙濃度が高まり、流速が大きいときには水蒸気が空気中に速やかに拡散されることで白煙濃度は低下する。本実施形態にかかる燃料電池システムによれば、カソードオフガスの流量が小さくなると放出口３２の開口面積が小さくなるので、カソードオフガスの流速は流量によらず常に高い流速に保たれる。この結果、放出口３２から放出されるカソードオフガスはその流量によらず常に大気中に速やかに拡散されることになり、カソードオフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙は低減される。
【００２２】
なお、カソードオフガスの流量が大きいときには高い流速が得られるので、放出口３２の開口面積を小さく絞る必要はなく、逆に開口面積を小さくすることで圧力損失が増大してエアポンプ１６の仕事量が増大してしまう。この点に関し、本実施形態にかかる燃料電池システムでは、カソードオフガスの流量が増大したときには、流量の増大に応じて蓋３２が回転して開口面積が増大する。したがって、本実施形態にかかる燃料電池システムによれば、カソードオフガスの流量に応じた開口面積を確保することができ、圧力損失の増大を防止することができる。
【００２３】
上述の実施の形態においては、カソードオフガスの流量が第１の発明にかかる「白煙濃度関連値」に相当している。また、蓋３４とバネ付き蝶番３６により第１の発明にかかる「開口面積可変手段」が実現されている。
【００２４】
実施の形態２．
次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
実施の形態１では、カソードオフガスの流量の変化に連動して放出口３２の開口面積が変化するようにしているが、本実施形態では、流量以外の白煙濃度関連値の変化にも連動して放出口３２の開口面積が変化するように構成したことを特徴としている。図４は、本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。図４中、実施の形態１と同一の部位については同一の符号を付している。
【００２５】
本実施形態にかかる燃料電池システムでは、放出口３２の上端部にアクチュエータ（例えばモータ）４０を介して蓋３４が回転可能に取り付けられている。蓋３４の回転量はアクチュエータ４０によって任意に調整することができ、蓋３４の回転量を調整することで放出口３２の開口面積を積極的に変化させることができるようになっている。
【００２６】
アクチュエータ４０は制御装置４２によってその作動を制御される。制御装置４２は、所定の白煙濃度関連値から放出口３２の開口面積を決定し、決定した開口面積を実現するようにアクチュエータ４０に制御信号を供給する。制御装置４２が放出口３２の開口面積を決定するのに用いる白煙濃度関連値としては、カソードオフガスの流量の他、外気温度、車速、カソードオフガスの温度が挙げられる。
【００２７】
上記の白煙濃度関連値うちカソードオフガスの流量と車速は、カソードオフガスに生じた水蒸気白煙の拡散度を示すパラメータである。流量が小さいほど、また、車速が低いほど大気中に放出された水蒸気は拡散せずに滞留するので、水蒸気白煙の濃度が高くなり外部から認知されやすくなる。そこで、制御装置４２は、白煙濃度関連値としてカソードオフガスの流量を用いる場合には、流量が小さくなると開口面積を小さくするようアクチュエータ４０を制御する。また、車速を用いる場合には、車速が小さくなると開口面積を小さくするようアクチュエータ４０を制御する。
【００２８】
一方、白煙濃度関連値うち外気温度とカソードオフガスの温度は、カソードオフガス中の水蒸気の凝縮量を示すパラメータである。水蒸気白煙は外気温度とガス温度（燃料電池温度にほぼ等しい）との温度差によってカソードオフガス中に残存している水蒸気が凝縮することで生じる。したがって、その凝縮量はカソードオフガスの温度と外気温度との温度差が大きくなるほど多くなり、水蒸気白煙の濃度も上昇して外部から認知されやすくなる。そこで、制御装置４２は、白煙濃度関連値として外気温度を用いる場合には、外気温度が低くなると開口面積を小さくするようアクチュエータ４０を制御する。また、カソードオフガスの温度を用いる場合には、燃料電池温度が高くなると開口面積を小さくするようアクチュエータ４０を制御する。なお、カソードオフガスの温度は燃料電池スタック２の温度（燃料電池温度）で代用することができる。
【００２９】
また、制御装置４２は、複数の白煙濃度関連値に基づきアクチュエータ４０を制御することもできる。図５、図６は複数の白煙濃度関連値から放出口３２の開口面積を決定する際の手順を示すフローチャートである。ただし、それらはあくまでも一例であって、他の手順に従い複数の白煙濃度関連値から放出口３２の開口面積を決定することもできる。
【００３０】
図５に示す手順に従えば、まず、制御装置４２は、車速、外気温度、カソードオフガスの流量（エア流量）を検出する（ステップ１００）。次に、それぞれを判定値Ｘ、Ｙ、Ｚと比較し、車速が判定値Ｘより小さく、外気温度が判定値Ｙより低く、且つエア流量が判定値Ｚより小さいか判定する（ステップ１０２）。ステップ１０２は水蒸気白煙の濃度が高くなる条件が成立するか判定するものであり、ステップ１０２の条件が成立しない場合には、放出口３２の開口面積は通常の面積Ａ１に設定する（ステップ１０４）。一方、ステップ１０２の条件が成立する場合には、カソードオフガスの流速を増大させるべく放出口３２の開口面積を所定面積Ａ２（Ａ２＜Ａ１）まで減少させる（ステップ１０６）。
【００３１】
図６に示す手順に従えば、まず、制御装置４２は、車速、外気温度、燃料電池温度、エア流量を検出する（ステップ２００）。次に、燃料電池温度と外気温度とから放出口３２での凝縮水量を計算する（ステップ２０２）。放出口３２での凝縮水量は水蒸気白煙の濃度を示している。制御装置４２は、ステップ２０２で算出した凝縮水量と車速及びエア流量から放出口３２の開口面積を算出する（ステップ２０４）。開口面積は凝縮水量が多いほど小さく、車速が低いほど、また、エア流量が小さいほど小さく設定される。
【００３２】
本実施形態にかかる燃料電池システムによれば、蓋３４の開閉をアクチュエータ４０で制御することができるので、カソードオフガスの流量以外の白煙濃度関連値の変化にも連動して放出口３２の開口面積を変化させることができる。これにより、カソードオフガスが大気中へ放出されるときに生じる水蒸気白煙をより確実に低減することができるとともに、水蒸気白煙の濃度が高くなる状況以外では蓋３４の影響による圧力損失の増大を最小限にすることもできる。
【００３３】
上述の実施の形態においては、蓋３４、アクチュエータ４０、及び制御装置４２により第１の発明にかかる「開口面積可変手段」が実現されている。
【００３４】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００３５】
図２Ａ，図２Ｂや図４に示す蓋３４の形状は一例であり、図７に示すような蓋５０の形状を採用してもよい。この蓋５０は先端部に切り欠きが設けられており、蓋５０が完全に閉じた状態でも放出口３２の最小開口面積が確保されるようになっている。また、図８に示すようなバタフライバルブを蓋５２として用いることもできる。さらに、放出口３２の開口面積を変化させることができるものであれば、蓋以外の他の手段を用いることも可能である。
【００３６】
また、上述の実施の形態では、カソードオフガスを大気中へ放出するときの水蒸気白煙の発生を防止するための手段として本発明を用いているが、本発明の用途はこれに限定されるものではない。改質器によって炭化水素原料を改質して水素を得る場合、改質ガス中には水蒸気が含まれるため、アノードから排出されるアノードオフガスにも水蒸気が含まれている。このような場合においても本発明を適用することで、アノードオフガスを大気中へ放出するときの水蒸気白煙の発生を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの要部を示す概略構成図であり、カソードオフガスの流量が少ないときの状態を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの要部を示す概略構成図であり、カソードオフガスの流量が多いときの状態を示す図である。
【図３】比較例としての従来の燃料電池システムの排気管の構成を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。
【図５】複数の白煙濃度関連値から放出口の開口面積を決定する際の手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】複数の白煙濃度関連値から放出口の開口面積を決定する際の手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】放出口に取り付けられる蓋の変形例を示す図である。
【図８】放出口に取り付けられる蓋の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
２  燃料電池スタック
４  水素供給管
６  レギュレータ
８  排気管
１０  水素ポンプ
１２  排気弁
１４  エア供給管
１６  エアポンプ
１８  加湿器
２０  マフラ
３０  排気管
３２  放出口
３４，５０，５２  蓋
３６  バネ付き蝶番
４０  アクチュエータ
４２  制御装置
【図１】
2005222892.tif 000003
【図２Ａ】
2005222892.tif 000004
【図２Ｂ】
2005222892.tif 000005
【図３】
2005222892.tif 000006
【図４】
2005222892.tif 000007
【図５】
2005222892.tif 000008
【図６】
2005222892.tif 000009
【図７】
2005222892.tif 000010
【図８】
2005222892.tif 000011